Зеркальный фотоаппарат строение. Как работает цифровой фотоаппарат. Что представляет собой затвор? Для чего он вообще нужен

Впервые ощутив в своих руках фотоаппарат и попробовав сделать несколько кадров, у любого новичка возникает вполне логичный вопрос: «Как это работает?», «Из чего состоит современный фотоаппарат?». В этой статье мы постараемся как можно детальней описать устройство камеры и сделать это легко и интересно. Поехали!

Так из чего состоит цифровой фотоаппарат?

• Тушка или как многие профессионалы говорят body (англ. «тело») – корпус, состоящий из пластика или сплава магния, не пропускает свет.
• Байонет – к нему прикрепляют объективы.
• Объектив – состоит из системы линз (1). С помощью него изображение объектов съемки проецируется на матрицу.
• Диафрагма – это перегородка (2), которая находится внутри объектива, а также имеет вид лепестков. Они образуют отверстие, диаметр которого можно регулировать.
• Зеркало (3) – важнейшая вещь. Оно направляет изображение, которое создает объектив, к фокусировочному экрану (6), а затем через пентапризму (7) в видоискатель (8).
• Экран фокусировки – матовая пластина, с помощью которой фотограф видит изображение через видоискатель.
• Пентапризма – элемент, который переворачивает изображение.
• Видоискатель – своего рода «глазок», через который фотограф видит будущий снимок.
• Сенсор – электронная матрица (5), которая, чувствуя свет, заменяет в устройстве зеркального фотоаппарата пленку.
• Процессор – считывает и обрабатывает изображения, возникающие на матрице.
• Карта памяти – бережно хранит наши фотографии.
• Затвор – это механические шторки (4), которые находятся между сенсором и зеркалом фотокамеры. В момент съемки они временно открываются таким образом, чтобы свет, попал на матрицу.
• Аккумулятор – питание камеры и всех ее элементов.
• Штативное гнездо (11) – разъем для штатива.
• «Горячий башмак» (10) – к нему подключается внешняя вспышка.
• Дисплей (9) – для просмотра фотографий, а также для настройки необходимых параметров съемки.
• Управление – различные кнопочки, колесики и диски для управления и настройки фотокамеры.

Мы перечислили далеко не все части, но лучше ограничится этим набором, дабы при разборе принципов действия в дальнейшем не запутаться.

Устройство цифрового фотоаппарата: принцип действия

Всем начинающим фотографам (особенно мальчикам) наверняка интересно, что происходит внутри фотоаппарата в тот момент, когда вы решаете сделать кадр и нажимаете на кнопку. А происходит следующее:

1. При съемке в автоматическом режиме объектив самостоятельно фокусируется на предмете.
2. Затем механический или оптический стабилизатор изображение делает свое дело, а именно – стабилизирует изображение.
3. Опять же при съемке в авто-режиме, камера сама подбирает параметры: выдержку, диафрагму, ISO, а также баланс белого.
4. После чего зеркало(3) поднимается.
5. А затвор(4) открывается.
6. Свет, который проходит через объектив, формирует изображение на матрице, которое потом считывается процессором и сохраняется в карту.
7. Затвор закрыт.
8. Зеркало опущено.

Из чего состоит объектив фотоаппарата

Сейчас существует столько различных видов и марок объективов, что разобраться в составе каждого в рамках небольшой информативной статьи просто не реально. Устройство объектива зеркального фотоаппарата может насчитывать разное количество оптических элементов или линз. Они могут соединяться друг с другом или же, напротив, разделяться небольшим пространством. В простых объективах обычно используют систему, которая может состоять от одной - до трех линз. Что касается дорогих качественных объективов, то количество линз в системе может быть около десятка и больше.

Устройство вспышки фотоаппарата

Самый главный элемент любой электронной вспышки – это импульсная ксеноновая лампочка. Это запаянная стеклянная трубка (дугообразная, спиральная, прямая или кольцевая), которая наполнена ксеноном. На концах трубки имеются впаянные электроды, снаружи располагается зажигательный электрод, который представляет собой полосочку мастики или отрезок проволоки, проводящей ток.

Вспышки бывают:

• Встроенные – не особо мощные, дают плоское изображение, создают резкие контрастные тени. Не способны выделить структуры объекта съемки. Отлично подходят для использования при ярком естественном освещении, подсвечивают резкие тени. Но стоит отметить, что профессиональные фотографы не советуют использовать встроенную вспышку при съемке.
• Закрепленные – мощнее, чем встроенные, также их можно настраивать как в ручном режиме, так и в автоматическом.
• Не прикрепленные к фотоаппарату – обычно такие устанавливают на штатив. С помощью них можно изменять условия освещения, играть со светом.
• Макровспышки – применяются для макросъемки. Выглядят как небольшое кольцо, которое устанавливается на объективе камеры.

Устройство затвора фотоаппарата

Как мы уже писали выше, затвор в фотоаппарате используется для того, чтобы перекрыть поток света, который проецирует объектив на матрицу или пленку. Открывая затвора на заданное время выдержки, количество света дозируется – так регулируют экспозицию.

Типы затворов:

1. дисковой секторный затвор;
2. затовры-жалюзи;
3. центральный затвор;
4. диафрагменный затвор;
5. фокальный затвор.

Устройство матрицы фотоаппарата

Современная матрица представляет собой небольшую микросхему. Поверхность этой микросхемы составляет множество светочувствительных элементов, каждый из которых представляет собой самостоятельный светоприемник. Он преобразует свет в некий сигнал, который после обработки сохраняется на карте памяти. Снимок, который получает фотограф, состоит из комплекса записанных электронных сигналов с каждого светочувствительного элемента. Интересно, правда?

Устройство фотоаппарата зенит

Из чего состоит зеркальный фотоаппарат, мы уже выяснили, теперь пришел черед пленочной камеры «Зенит». Он состоит из:

• объектива;
• зеркала;
• затвора;
• фотопленки;
• матового стекла;
• конденсор (линза);
• пентапризма или пентазеркало;
• окуляр.

Конечно, мы перечислили далеко не все. Для того чтобы подробней узнать из чего состоит фотоаппарат (как цифровой, так и пленочный) вам необходимо записать в нашу , где опытный преподаватель расскажет вам о каждой гаечке и продемонстрирует все на наглядном примере.

Как работает фотоаппарат можно изучить еще в школе. Но знать конструктивные особенности интересно каждому владельцу фотокамеры. Основной принцип работы цифрового фотоаппарата можно выразить в нескольких словах: свет преображается в электричество. Все здесь служит для привлечения света, от кнопки пуск до линз.

Что же революционного с точки зрения света в цифровом фотоаппарате. Он преобразует свет в электрические заряды, которые становятся образом, запечатленным на экране. Как же это работает? Задача каждой детали фотоаппарата поймать отличное изображение. Но главное это свет.

Устройство и работа фотоаппарата

Первое что нужно для получения фото это источник света. Частицы света фотоны покидают источник света, отталкиваются от предмета и входят в камеру через несколько линз. Затем фотоны следуют по установленному пути. Целый ряд линз позволяет сделать максимально четкое изображение.

1. Створки контролируют количество света, которое должно проникнуть внутрь через отверстие фотоаппарата.
2. Пройдя сквозь диафрагму, линзы и войдя в отверстие, свет отталкивается от зеркала и направляется в .
3. До этого свет преломляется, проходя сквозь призму, поэтому то мы и видим изображение в видоискателе не вверх ногами и если нас устраивает композиция, то мы нажимаем на кнопку.
4. При этом зеркало подымается, и свет направляется внутрь, какую-то долю секунды свет направлен не на видоискатель, а в самое сердце фотоаппарата – .

Длительность этого действия зависит от скорости срабатывания створок. Они открываются на мгновение, когда свет должен воздействовать на сенсор света. Время может быть 1/4000 секунды. То есть в мгновение ока створки могут открыться и закрыться 1400 раз. Для этого существует две створки, когда первая открывается, то вторая закрывается. Таким образом, внутрь попадает чрезвычайно малое количество света. Это важный момент в понимании принципа работы цифрового фотоаппарата.

Теория обработки света

Так в чем же революционность цифровой камеры? Элемент, фиксирующий изображение, сенсор изображения (матрица) это решетка с плотной структурой, состоящей из крошечных сенсоров света. Ширина каждого всего 6 микрон – это 6 миллионных метра. 5 тысяч таких сенсоров могут поместиться на кончике остро заточенного карандаша.

Но сначала свет должен пройти через фильтр, который разделяет его на цвета: зеленый, красный и синий. Каждый сенсор света обрабатывает только один цвет. Когда в него ударяют фотоны, они поглощаются полупроводниковым материалом, из которого он сделан. На каждый поглощенный фотон сенсор света испускает электрическую частицу, она называется электрон. Энергия фотона передается электрону – это электрический заряд. И чем ярче изображение, тем сильнее электрический заряд. Таким образом, каждый электрический заряд обладает различной интенсивностью.

Затем печатная плата переводит эту информацию на язык компьютера, язык цифр и битов или последовательность единиц и нулей. Они представляют собой миллионы крошечных цветных точек, из которых и состоит фото – это пиксели. Чем больше пикселей в изображении, тем лучше разрешение. Другими словами это несколько миллионов микроскопических световых ловушек, которые вместе со всеми элементами фотоаппарата нацелены на одну задачу – преобразовать свет в электричество, что бы сделать прекрасные фотографии.

Дальше вся эта информация в цифровом виде подается в процессор, где она обрабатывается по определенным алгоритмам. Затем уже готовая фотография передается в память фотокамеры, где она и хранится и доступна для просмотра пользователю.

Так вкратце можно изобразить принцип работы цифрового зеркального фотоаппарата .

История развития фототехники привела к тому, что были выработаны определённые стандарты на интерфейс между фотографом и используемой им фототехникой. В результате цифровые фотоаппараты в большинстве своих внешних черт и органах управления повторяют наиболее совершенные модели плёночной техники. Принципиальное различие оказывается в «начинке» аппарата, в технологиях фиксации и последующей обработке изображения.

Основные элементы цифрового фотоаппарата

• Матрица
• Объектив
• Затвор
• Видеоискатели
• Процессор
• Дисплей
• Вспышка

Устройство зеркального фотоаппарата

Зеркальный цифровой фотоаппарат - это фотоаппарат, в котором объектив видоискателя и объектив для захвата изображения один и тот же, также в фотоаппарате используется цифровая матрица для записи изображения. В не зеркальном фотоаппарата в видоискатель попадает изображение из отдельного маленького объектива, чаще всего находящийся над основным. Отличие также имеется и от обычного устройства фотоаппарата (мыльницы), где отображается на экране изображение, попадающее непосредственно на матрицу.

В обычном устройстве зеркального цифрового фотоаппарата свет проходит через объектив (1). Затем он достигает диафрагмы, которая регулирует его количество (2), затем свет доходит до зеркала в устройстве зеркального цифрового фотоаппарата, отражается и проходит через призму (4), чтобы перенаправить его в видоискатель (5). Информационный экран добавляет к изображению дополнительную информацию о кадре и экспозиции (зависит от модели фотокамеры). В момент, когда происходит фотографирование, зеркало устройства фотоаппарата (6) поднимается, открывается затвор фотоаппарата (7). В этот момент свет попадает прямо на матрицу фотоаппарата и происходит экспонирование кадра - фотографирование. Затем закрывается затвор, обратно опускается зеркало, и фотоаппарат готов к следующему снимку. Необходимо понимать, что весь этот сложный процесс внутри происходит за доли секунды.

C самого создания первого устройство фотоаппарата, основная схема работы его почти не изменилась. Свет проходит через отверстие, масштабируется и попадает на светочувствительный элемент внутри устройства фотоаппарата. Будь это пленочной камерой или зеркальной цифровой фотокамерой. Рассмотрим основные отличая зеркального фотоаппарата от не зеркального. Как вы могли догадаться главное отличие в наличии специального зеркала. Это зеркальце позволяет фотографу видеть в видоискателе абсолютно такую же картинку, которая попадает на плёнку или матрицу.

Механизм работы цифрового фотоаппарата довольно сложен для неподготовленного читателя, но все-таки кратко опишем его: до нажатия клавиши затвора в зеркальных фотоаппаратах между объективом и матрицей расположено зеркало, отражаясь от которого, свет попадает в видоискатель. В незеркальных фотоаппаратах и зеркальных фотоаппаратах в режиме Live View свет из объектива падает на матрицу, при этом на ЖК экран выводится изображение, сформированное на матрице. В некоторых фотоаппаратах при этом может происходить автоматическая фокусировка. При неполном нажатии клавиши затвора (если такой режим предусмотрен) происходит выбор всех автоматически выбираемых параметров съёмки (фокусировка, определение экспопары, чувствительности фотоматериала (ISO) и т. д.). При полном нажатии происходит съёмка кадра, и считывание информации с матрицы во встроенную память фотоаппарата (буфер). Далее производится обработка полученных данных процессором с учётом установленных параметров коррекции экспозиции, ISO, баланса белого и др., после чего данные сжимаются в формат JPEG и сохраняются на флэш-карту. При съёмке в формат RAW данные сохраняются на флэш-карту без обработки процессором (возможна коррекция битых пикселей и сжатие алгоритмом без потерь). Так как запись на флэш-карту изображения занимает достаточно большое количество времени, многие фотоаппараты позволяют снимать следующий кадр до окончания записи предыдущего на флэш-карту, если в буфере есть свободное место.

Отличие устройства зеркального цифрового фотоаппарата от пленочного зеркального фотоаппарата?

1. Первое отличие очевидно: в цифровом зеркальном фотоаппарате используется электроника для записи изображения на карту памяти, в то время как устройство пленочного зеркального фотоаппарата захватывает изображение на пленку.

2. Второе отличие между цифровым и пленочным зеркальным фотоаппаратом в том, что большинство цифровых зеркальных фотоаппаратов записывают изображение на поверхность матрицы, которая по площади меньше, чем кадр в пленочной зеркалке.

3. Устройство цифрового фотоаппарата позволяет фотографу увидеть изображение сразу после съемки.

4. Более старые модели пленочных фотокамер не требуют электрического питания. Они полностью состоят из механики. А цифровым зеркальным фотоаппаратам необходимы батарейки или аккумуляторы.

5. При съёмке на пленку лучше немного переэкспонировать кадр, но для цифрового фотоаппарата лучше немного недоэкспонировать кадр.

6. Независимо от того, цифровой фотоаппарат или пленочный, оба типа фото камер имеют огромные возможности по смене объективов, пультов дистанционного управление, вспышек, элементов питания и других аксессуаров.

Свет попадает на матрицу цифрового фотоаппарата через оптическую систему, основными составляющими которой являются объектив, видоискатель и устройство автоматической фокусировки. Оптическая система собирает лучи света и проецирует изображение на плоскость. Объектив, безусловно, занимает центральное место в оптической системе цифровой камеры, поскольку именно от его характеристик и качества изготовления зависят детальность и резкость получаемого на светочувствительном носителе изображения.

Широкий выбор объективов для цифровой фототехники определяет разнообразие возможностей для реализации творческих идей и задумок фотографа. Несмотря на то, что объектив является одним из важнейших узлов фотоаппарата, его основные принципы работы и устройство мало изменились за десятилетия с момента появления первой пленочной камеры.

Принцип работы объектива фотоаппарата основан на одном из главных оптических свойств света – преломлении световых лучей при прохождении границы сред с разными плотностями. Это свойство прекрасно заметно, например, при размешивании сахара в чашке с чаем. Глядя в чашку, мы можем заметить, как ложка, который мы помешиваем сахар, оказывается точно надломленной на границе воды и воздуха. Это оптическое свойство обуславливается тем простым фактом, что скорость распространения света в воде меньше, чем скорость распространения световых лучей в воздухе.

Еще более впечатляющий эффект преломления наблюдается при прохождении света сквозь границу воздуха и стекла, особенно при определенном радиусе искривления стекла. В объективе цифровой камеры свет преломляется при прохождении через прозрачную полированную поверхность стекла линзы, то есть на границе «воздух — оптическое тело». В результате преломления светового потока объектив проецирует на светочувствительном элементе фотоаппарата (матрице) геометрически правильное, резкое изображение снимаемых объектов по всему полю кадра.

Получаемое таким способом световое изображение не должно содержать каких-либо искажений формы, яркости или цвета фотографируемых объектов. Однако явления преломления света в объективе фотоаппарата нередко сопровождаются возникновением так называемых аберраций (искажений изображения). Для того, чтобы снизить эти проявления, сказывающиеся негативно на качестве изображения, в современных оптических системах применяются разнообразные приемы, связанные, в частности, с увеличением числа линз в объективе.

Конструкция объектива

Объектив является сложным оптическим устройством, которое конструктивно состоит из следующих основных элементов: системы линз и сферических зеркал, изготовленных из специального оптического стекла, металлической оправы и диафрагмы. В лицевой части объектива располагается оптическая линза, основное предназначение которой состоит в сборе световых лучей. Внутри объектива размешаются уже другие оптические линзы и сферические зеркала, которые отвечают за последующее преломление света и дальнейшее формирование изображения.

Количество линз или оптических элементов в конструкции современных объективов может быть разным. При этом они могут быть соединены друг с другом или, наоборот, разделены воздушным пространством. В простейших объективах используется система, состоящая из одной — трех линз. А в высококачественных и дорогих объективах количество оптических элементов, выполненных из различных сортов стекла, может достигать десяти и более.

Оптическое стекло, используемое при изготовлении объективов, отличается идеальной прозрачностью и гладкостью, для него недопустимо наличие каких-либо пузырьков и короблений, ведь онимогут привести к искажению изображения. В конструкции современных объективов применяются особые асферические линзы, которые способны лучше справляться с разнообразными оптическими аберрациями. Такие асферические линзы довольно часто используются, в частности, в устройстве широкоугольной оптики.

Положение линз в объективе должно быть выдержано с точностью до тысячных долей миллиметра, чтобы создаваемое оптическое изображение было максимально резким и четким. В объективе, состоящем из нескольких линз, крайне важно, чтобы оптическая ось каждой отдельной линзы идеально совпадала с оптическими осями всех других линз. Только таким образом может быть достигнуто получение качественного изображения.

Высокая точность взаимного расположения линз в объективе достигается за счет крепления линз в металлической оправе. То есть оправа – это не просто корпус объектива, а компонент, обеспечивающий необходимое расстояние между линзами, а также защиту оптических элементов от механических и климатических воздействий. Оправа выполняется под конкретный тип камеры и ее соединения с объективом.

Большая часть объективов состоит из двух частей: основной металлической оправы, в которой размещаются все оптические детали и диафрагма, и переходной оправы, служащей для осевого перемещения основной оправы и ее соединения с камерой. Переходная оправа обычно имеет несколько кольцеобразных деталей. В результате поворота одного из таких колец обеспечивается осевое перемещение той части металлической оправы, в которой укреплен основной блок объектива. Конструкция оправ объектива предполагает возможность ручного или автоматического изменения диафрагмы, то есть регулируемого по величине отверстия, способного изменять количество световых лучей, проходящих через объектив на матрицу цифрового фотоаппарата.

Шестилепестковая диафрагма

Диафрагма в объективе представляет собой светонепроницаемую заслонку с небольшим отверстием в центре, которая просто отсекает световые лучи, проходящие сквозь края линзы. Такая заслонка в подавляющем большинстве объективов состоит из тонких металлических лепестков серповидной формы, установленных по окружности между линзами объектива. Эти лепестки диафрагмы могут поворачиваться одновременно друг с другом, двигаясь в пространство между линзами или выходя из него. Диафрагма служит для изменения глубины резко изображаемого пространства. Уменьшая размер диафрагменного отверстия, мы можем повысить резкость кадра.

Элементы объектива (источник electrogor.ru)

В устройство объектива входит и фокусировочное кольцо. Оно используется для ручной наводки объектива на резкость. Вращая кольцо объектива, фотограф может сделать резким либо передний, либо задний план. Если же объектив снабжен функцией автофокуса, то фокусировочное кольцо вращается автоматически благодаря специальному мотору. При нажатии на затвор камеры объектив автоматически фокусируется на резкость по центральному участку кадра. Фиксирование фокусировки обычно происходит при нажатии кнопки спуска до половины.

В современных объективах ведущих производителей применяется ультразвуковой привод фокусировки (USM), встроенный непосредственно в объектив. Благодаря ему обеспечивается очень быстрая скорость работы фокусировки. Существуют объективы и с так называемым отверточным приводом, который механически связывает объектив и фотоаппарат. Такая система работает более медленно и шумно.

Помимо автофокуса, в конструкции объектива часто встраивается и механизм стабилизации, который компенсирует дрожание камеры при увеличенных выдержках, тем самым, давая фотографу возможность получать резкие кадры в условиях недостаточной освещенности без использования штатива. Объектив с переменным фокусным расстоянием имеет специальное кольцо трансфокатора, используемое для изменения фокусного расстояния. С помощью такого кольца можно приблизить или отдалить снимаемый объект в кадре.

Оправа объектива может составлять одно целое с камерой только в том случае, если объектив жестко встроен в фотоаппарат. В цифровых же камерах, рассчитанных на использование сменных объективов, применяется система крепления объектива — байонет. Такие системы крепления объектива к камере у каждого производителя свои собственные, хотя существуют и некоторые открытые стандарты байонета. Размеры и форма байонета зависят от типа камеры, к которой крепится объектив. Сам объектив может, в свою очередь, предоставлять возможность для установки разнообразных фильтров. Для этого он оснащается специальной резьбой, расположенной вокруг внешней линзы. Именно на эту резьбу и прикручиваются различные фильтры и другие аксессуары для объективов.

Характеристики объектива

Объективы характеризуются двумя основными параметрами – светосилой и фокусным расстоянием. Как правило, значения этих параметров указываются на передней части оправы любого объектива. Светосила определяет яркость создаваемого объективом оптического изображения, то есть иными словами служит показателем способности объектива пропускать свет. Чем больше света проходит через объектив, тем, соответственно, выше его светосила.

Преимущество объективов, обладающих высокой светосилой, заключается в том, что они позволяют вести съемку в условиях недостаточной освещенности и предоставляют фотографу больше свободы в выборе экспозиционных параметров съемки. Но если снимаемый объект освещен достаточно хорошо, то светосильный объектив будет уже не помощником, а скорее помехой. Высокая яркость создаваемого им изображения обеспечит переэкспонирование матрицы фотоаппарата.

Фокусное расстояние, в свою очередь, характеризует масштаб изображения, проецируемого объективом на матрицу цифровой камеры. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем более «приближенное» и крупное изображение получится при съемке одного и того же объекта. Меньшее фокусное расстояние позволяет охватить большее поле обзора и уместить, таким образом, на одной фотографии широкую панораму.

От фокусного расстояния объектива напрямую зависит не только охват кадра и угол обзора, но и перспектива снимка. В частности, увеличение фокусного расстояния позволяет сделать задний план более крупным, приблизить его к переднему и сгладить разницу в расстоянии. Наоборот, уменьшение фокусного расстояния дает возможность сделать задний план визуально дальше и мельче, усиливая ощущения перспективы на снимке.

В зависимости от фокусного расстояния принято классифицировать объективы на следующие виды:

— Стандартные (фокусное расстояние от 40 до 50 мм)

Стандартным принято называть объектив с фокусным расстоянием, примерно равным диагонали кадра. С помощью стандартного объектива получается изображение, приближенное к тому, каким картинку видит человеческий глаз. То есть стандартные объективы нейтральны по своему действию и не обеспечивают никаких эффектов. Такие объективы широко применяются для съемки портретов, поскольку они не допускают искажения лиц.

— Широкоугольные (фокусное расстояние от 12 до 35 мм)

Широкоугольные объективы имеют короткое фокусное расстояния и широкий угол обзора, что позволяет использовать их в тех случаях, когда требуется увеличенный угол зрения. Например, при съемке пейзажей или архитектуры, где широкоугольный объектив дает возможность подчеркнуть перспективу пространства в кадре. Они также оказываются очень удобными при съемке в ограниченном пространстве благодаря своему широкому полю зрения.

— Телеобъективы (фокусное расстояние от 200 мм и более)

Для съемки удаленных объектов применяются телеобъективы. Благодаря небольшому углу обзора телеобъектив позволяет акцентировать внимание на основном объекте съемки, отсекая из кадра или размывая до неузнаваемости все лишнее. Телеобъективы способны сокращать расстояние между передним и задним планами, буквально «сплющивая» перспективу. Такие объективы гораздо более восприимчивы к дрожанию или малейшим вибрациям камеры, поэтому их использование практически немыслимо без надежного штатива.

Помимо этих типов, выделяют и другие объективы специального назначения. В частности, макрообъективы или объективы «фиш-ай».

Напоследок стоит сказать о некоторой специфике объективов, предназначенных именно для цифровых фотоаппаратов. Дело в том, что фотопленка может практически одинаково воспринимать как свет, падающий на ее поверхность под нормальным углом, так и косые световые лучи. Поэтому для определения качества объектива для пленочного аппарата нужно было лишь провести тестовую съемку и отпечатать фотографии большого формата, чтобы увидеть готовый результат.

Цифровая же фототехника характеризуется тем, что светочувствительный элемент (матрица) гораздо критичнее относится к углу падения световых лучей. И если лучи падают на поверхность матрицы под острым углом, то некоторая часть света просто не попадает на светочувствительную поверхность. В результате, при использовании некоторых объективов изображение по краям кадра теряет четкость, в других же случаях начинают проявляться заметные цветовые артефакты.

Чтобы решить эту проблему, производители объективов для цифровых фотоаппаратов стараются сегодня применять системы из нескольких линз и оптических элементов в конструкции оптики. Однако в этом случае приходится добиваться того, чтобы центр симметрии каждого оптического элемента идеально совпадал с оптическими осями других линз. Если этого не удается достичь, то неминуемо возникают различные геометрические аберрации и искажения, также портящие снимок.

Поэтому производство фотографических объективов в современных условиях отличается высокой степенью сложности и требует очень высокой точности изготовления. Такую точность при изготовлении линз и сборке объективов удается достигнуть только за счет использования на производственных предприятиях роботизированных сборочных аппаратов.

Современные фотоаппараты все делают сами - чтобы получить снимок, пользователю достаточно лишь нажать на кнопку. Но ведь все равно интересно: по какому же волшебству картинка попадает в камеру? Мы постараемся объяснить основные принципы работы цифровых фотоаппаратов.

Ликбез: как работает цифровая камера

Основные части Борьба с искажениями

Основные части

В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их различие - в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Теперь разберем эти процессы подробнее.

Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или встроенный, представляет собой группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.

Где получается картинка

Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселов. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать к разным хитростям. Ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти цвета? Потому что они – основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.

На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета. Полученная картинка состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселов. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера

Основных типов матриц два, и они различаются способом считывания информации с сенсора. В матрицах типа CCD (ПЗС) информация считывается с ячеек последовательно, поэтому обработка файла может занять довольно много времени. Хотя такие сенсоры «задумчивы», они относительно дешевы, и к тому же, уровень шума на полученных с их помощью снимках меньше.

Матрица типа ПЗС

В матрицах типа CMOS (КМОП) информация считывается индивидуально с каждой ячейки. Каждый пиксел обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера и автофокусировки.

КМОП-матрица

Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн.

Трехслойная матрица

Выше уже был упомянут процессор камеры – он отвечает за все процессы, в результате которых получается картинка. Процессор определяет параметры экспозиции, решает, какие из них нужно применить в данной ситуации. От процессора и программного обеспечения зависят качество фотографий и скорость работы камеры.

По щелчку затвора

Затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды – что называется, и моргнуть не успеешь. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных, затвор представляет собой две непрозрачные шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих шторок в цифровых зеркалках невозможно визирование по дисплею – ведь матрица закрыта и не может передавать изображение на дисплей.

В компактных камерах матрица не закрыта затвором, и поэтому можно компоновать кадр по дисплею

Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинам или электромагнитами, открывается доступ свету, и на сенсоре формируется изображение – так работает механический затвор. Но в цифровых камерах бывают еще и электронные затворы – они используются в компактных фотоаппаратах. Электронный затвор, в отличие от механического, нельзя пощупать руками, он, в общем-то, виртуален. Матрица компактных камер всегда открыта (именно потому и можно компоновать кадр, глядя на дисплей, а не в видоискатель), когда же нажимается кнопка спуска, кадр экспонируется в течение указанного времени выдержки, а затем записывается в память. Благодаря тому что у электронных затворов нет шторок, выдержки у них могут быть ультракороткими.

Наведем фокус

Как уже говорилось выше, часто для автофокусировки используется сама матрица. Вообще же, автофокусировка бывает двух типов – активная и пассивная.

Для активной автофокусировки камере нужны передатчик и приемник, работающие в инфракрасной области или с ультразвуком. Ультразвуковая система измеряет расстояние до объекта по методу эхолокации отраженного сигнала. Пассивная фокусировка осуществляется по методу оценки контраста. В некоторых профессиональных камерах сочетаются оба типа фокусировки.

В принципе, для фокусировки может использоваться вся площадь матрицы, и это позволяет производителям размещать на ней десятки фокусировочных зон, а также использовать «плавающую» точку фокуса, которую пользователь сам может разместить где ему угодно.

Борьба с искажениями

Именно объектив формирует на матрице изображение. Объектив состоит из нескольких линз – из трех и более. Одна линза не может создать совершенное изображение – по краям оно будет искажаться (это называется аберрациями). Грубо говоря, пучок света должен идти прямо на сенсор, не рассеиваясь по пути. В какой-то мере этому способствует диафрагма – круглая пластинка с дыркой посередине, состоящая из нескольких лепестков. Но сильно закрывать диафрагму нельзя – из-за этого уменьшается количество света, попадающее на сенсор (что и используется при определении нужной экспозиции). Если же собрать последовательно несколько линз с различными характеристиками, искажения, даваемые ими вместе, будут гораздо меньше, чем аберрации каждой из них по отдельности. Чем больше линз – тем меньше аберрации и тем меньше света попадает на сенсор. Ведь стекло, каким бы прозрачным оно нам ни казалось, не пропускает весь свет – какая-то часть рассеивается, что-то отражается. Чтобы линзы пропускали как можно больше света, на них наносят специальное просветляющее напыление. Если посмотреть на объектив камеры, будет видно, что поверхность линзы переливается радугой – это и есть просветляющее напыление.

Линзы располагаются внутри объектива примерно таким образом

Одна из характеристик объектива – светосила, значение максимально открытой диафрагмы. Она указывается на объективе, например, так: 28/2, где 28 – фокусное расстояние, а 2 – светосила. Для зум-объектива маркировка выглядит так: 14-45/3,5-5,8. Два значения светосилы указываются для зумов, поскольку в широкоугольном и в телеположении у них разные минимальные значения диафрагмы. То есть на разных фокусных расстояниях светосила будет разной.

Фокусное расстояние, которое указывают на всех объективах – это расстояние от передней линзы до светоприемника (в данном случае, матрицы). От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и его, так сказать, дальнобойность, то есть как далеко он «видит». Широкоугольные объективы отдаляют изображение относительно нашего обычного видения, а телеобъективы – приближают, и у них маленький угол обзора.

Угол обзора объектива зависит не только от его фокусного расстояния, но и от диагонали светоприемника. Для 35 мм пленочных камер нормальным (то есть примерно соответствующим углу обзора человеческого глаза) считается объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием – «широкоугольники», с большим – «телевики».

Левая часть нижней надписи на объективе – фокусное расстояние зума, правая часть - светосила

Здесь и кроется проблема, из-за которой рядом с фокусным расстоянием объектива цифровика часто указывают его эквивалент для 35 мм. Диагональ матрицы меньше диагонали 35 мм кадра, и поэтому приходится «переводить» цифры в более привычный эквивалент. Из-за этого же увеличения фокусного расстояния в зеркальных камерах с «пленочными» объективами становится почти невозможна широкоугольная съемка. Объектив с фокусным расстоянием 18 мм для пленочной камеры – суперширокоугольный, но для цифрового фотоаппарата его эквивалентное фокусное расстояние будет около 30 мм, а то и больше. Что касается телеобъективов, то увеличение их «дальнобойности» только на руку фотографам, ведь обычный объектив с фокусным расстоянием, скажем, 400 мм, стоит довольно дорого.

Видоискатель

В пленочных камерах компоновать кадр можно только пользуясь видоискателем. Цифровые же позволяют вовсе забыть о нем, поскольку в большинстве моделей для этого удобнее использовать дисплей. В некоторых очень компактных камерах видоискателя вовсе нет – просто из-за того, что нет для него места.

Самое важное в видоискателе – что через него можно увидеть. Например, зеркальные камеры так называются как раз из-за особенностей конструкции видоискателя. Изображение через объектив посредством системы зеркал передается в видоискатель, и таким образом фотограф видит реальную площадь кадра. Во время съемки, когда открывается затвор, загораживающее его зеркало поднимается и пропускает свет на чувствительный сенсор. Такие конструкции, конечно, отлично справляются со своими задачами, но занимают довольно много места и потому совершенно неприменимы в компактных камерах.

Вот так изображение через систему зеркал попадает в видоискатель зеркальной камеры

В компактных камерах применяют оптические видоискатели реального видения. Это, грубо говоря, сквозное отверстие в корпусе камеры. Такой видоискатель не занимает много места, но обзор его не соответствует тому, что «видит» объектив.

Еще есть псевдозеркальные камеры с электронными видоискателями. В таких видоискателях установлен маленьких дисплей, изображение на который передается непосредственно с матрицы – точно так же, как и на внешний дисплей.

Вспышка

Вспышка, импульсный источник света, используется, как известно, для подсветки там, где основного освещения недостаточно. Встроенные вспышки обычно не очень мощные, но их импульса хватает, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной внешней вспышки, он называется «горячий башмак».

Это, в общем, основные элементы и принципы работы цифровой камеры. Согласитесь, когда знаешь, как устройство работает, легче добиться качественного результата.